Биологическое окисление АФК
Биологическое окисление • Биологическое окисление – совокупность реакций окисления субстратов в живых клетках, основная функция которых - энергетическое обеспечение метаболизма. • Биологическое окисление: 1. Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ. 1. 1. Окислительное фосфорилирование (ЭТЦ митохондрий); 1. 2. Субстратное фосфорилирование; 2. Свободное окисление, НЕ сопряженное с фосфорилированием АДФ
Биологическое окисление • Фосфорилирование АДФ на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование) - это такой вид биологического окисления, при котором макроэргическая связь возникает в момент непосредственного окисления субстрата, а затем или иным путем передается на фосфатный остаток, который, в свою очередь, используется для фосфорилирования АДФ.
Биологическое окисление • • • Свободное окисление Не сопряженно с фосфорилированием АДФ; Не сопровождается трансформацией энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей; Высвобождающаяся при сопряженном с окислением распаде химических связей энергия переходит в тепловую и рассеивается. Процессы свободного окисления сосредоточены в цитозоле, в мембранах эндоплазматической сети клетки, в мембранах лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи, на внешних мембранах митохондрий и хлоропластов, также в ядерном аппарате клетки. Основную роль играют реакции микросомального окисления. Осуществляется ферментами диоксигеназами и монооксигеназами.
Биологическое окисление Свободное окисление Диоксигеназы включают оба атома кислорода в молекулу субстрата: Монооксигеназы включают в субстрат только один атом кислорода, другой атом восстанавливается до воды в присутствии дополнительного донора восстановительных эквивалентов (НАДФН и НАДН): • Ключевая роль в процессах микросомального оксигенирования пренадлежит цитохрому Р-450. Атом железа (II) восстанавливает связанный в активном центре кислород, который за тем переносится на субстрат.
Биологическое окисление Ключевая роль в процессах микросомального оксигенирования пренадлежит цитохрому Р-450. Атом железа (II) восстанавливает связанный в активном центре кислород, который за тем переносится на субстрат. В процессе свободного окисления: • не происходит образования АТФ; • Роль этих процессов заключается в метаболизме ксенобиотиков (лекарственные средства, гербициды, продукты загрязнения окружающей среды), попадающие в большом количестве в организм с водой, пищей и атмосферным воздухом. • Участвуют в анаболизме различных соединений, таких как холестерол, стероидные гормоны, желчные кислоты, циклических аминокислот.
Активные формы кислорода (АФК) • В ЭТЦ поглощается около 90% поступающего в клетку кислорода. Остальная часть используется в других окислительновосстановительных реакциях ферментами (оксидазами и оксигеназами) • В невозбужденном состоянии кислород нетоксичен. O 2 содержит 2 неспаренных электрона с параллельными спинами, которые не могут образовывать термодинамически стабильную пару и располагаются на разных орбиталях. Каждая из этих орбиталей может принять еще один электрон. • Полное восстановление кислорода происходит в результате 4 одноэлектронных переходов:
Активные формы кислорода (АФК) Утечка электронов из ЭТЦ и непосредственное их взаимодействие с кислородом – основной путь образования активных форм кислорода в большинстве клеток.
Активные формы кислорода (АФК) • Свободные радикалы – это отдельные атомы или группы химически связанных атомов, которые имеют неспаренные электроны, определяющие их высокую реакционную активность. • Небольшое количество свободных радикалов необходимо для процессов развития клеточных структур, для запуска митотических процессов, для уничтожения патогенных микроорганизмов фагоцитами, для запуска процессов апоптоза. • Избыточное же количество радикалов, образующихся при дисбалансе между их продукцией и потреблением, опасно для организма, так как приводит к развитию окислительного стресса.
Активные формы кислорода (АФК) • • Супероксид анион–радикал (О 2 –) в гидрофобных растворах он активен и стабилен, тогда как в гидрофильной среде – он неактивен и нестабилен; опасность данного радикала состоит не столько в его прямом повреждающем действии, сколько в его способности образовывать другие кислородные радикалы, обладающие большей реакционноспособностью; генерируется в электронтранспортных цепях митохондрий и микросом, при утечке электронов на уровне дыхательных ферментов; при спонтанной дисмутации супероксид анионов формируется перекись водорода.
Активные формы кислорода (АФК) • • Перекись водорода (H 2 O 2) не относится к свободным радикалом, однако принадлежит к активным формам кислорода; образуется не только за счет спонтанной дисмутации О 2 – , но также с участием в данной реакции СОД; способен проникать через цитоплазматические мембраны. Это свойство позволяет данной молекуле диффундировать на длительные расстояния и повреждать клеточные структуры вдали от места его образования. участвует в образовании гидроксильного радикала, при взаимодействии с металлами переменной валентности
Активные формы кислорода (АФК) Гидроксильный радикал (HO • ) • образовываться в результате Фентон-реакции, под воздействием ионизационной радиации; • HO • является наиболее электрофильным и реакционноспособным из всех кислородных радикалов; • оказывает свое действие непосредственно в сайте его генерации из-за короткого время полужизни и способности диффундировать лишь на 2 нм от места генерации.
Активные формы кислорода (АФК) • • Пероксильный радикал (ROO • ) обладает более низкой электрофильностью по сравнению с гидроксильным радикалом и временем полужизни около 1 секунды. Наиболее простым пероксильным радикалом является гидропероксильный радикал, который образуется в клетках в небольших количествах. Данный радикал способен вызывать перекисное окисление липидов. Активность пероксильного радикала зависит в основном от структуры бокового радикала.
Повреждение биомакромолекул АФК • На стадии инициации происходит взаимодействие свободного радикала (чаще всего гидроксильного радикала) с полиненасыщенными жирными кислотами, с образованием липидного радикала LH + OH • → L • + H 2 O , • Далее липидный радикал взаимодействует с молекулярным кислородом, формируя радикал липопероксида: O 2 + L • → LOO • • Радикал липопероксида может атаковать новую молекулу липида, образуя гидропероксида липида LOOH и новый радикал L • : LH + LOO • → L • + LOOH
Повреждение биомакромолекул АФК • При повреждении белков АФК образуются карбонильные соединения , перекрестные сшивки молекул белка, разрывы полипептидных цепочек; • Повреждение ДНК происходит вследствие следующих химических реакций: окисление, метилирование, депуринизация и дезаминирование. • К АФК способным повреждать ДНК относятся гидроксильный радикал и синглетный кислород • 1 O модифицирует ДНК лишь по 8 -му положению гуанина, 2 образуя 8 -ОН-гуанин, тогда как гидроксильный радикал способен окислять все азотистые основания в составе ДНК (5 гидроксиметилурацил, 8 -гидроксиаденин) • Также OH • радикал может вызывать разрыв цепочки ДНК, за счет взаимодействия с остатками сахара
Антиоксидантная система клетки Супероксиддисмутаза (СОД). • является одним из главных ферментов антиоксидантной системы защиты клетки, функцией которого является дисмутация супероксидных анион радикалов; • осуществляет одноэлектронное восстановление супероксид аниона с формированием перекиси водорода, по следующей схеме: О 2– • + E – Men+ → О 2 + E – Me (n-1)+ + О 2– • + 2 H+ → E – Me n+ + Н 2 О 2
Антиоксидантная система клетки Супероксиддисмутаза (СОД). Cu-Zn СОД найдена в цитоплазме, в лизосомах, внутриклеточных ретикулярных мембранах, а также межмембранном пространстве митохондрий практически всех клеток млекопитающих. Существует внеклеточная форма этого фермента – ECSOD (extracellular SOD). Mn СОД обнаружена в митохондриях большинства клеток. Fe-СОД обнаружена у прокариот [276] и характеризуется высокой степенью гомологии с Mn-СОД в первичной, вторичной и третичной структурах Ni-SOD были выделены из бактерий рода Streptomyces [73]. Их аминокислотная последовательность отличается от трех других изоформ СОД.
Антиоксидантная система клетки Каталаза • содержится в клетке в основном в пероксисомах, лейкоцитах, но также и в митохондриях; • разлагает пероксид водорода до воды и кислорода • • Глутатионпероксидаза (ГП) восстанавливает не только пероксид водорода, но и различные гидропероксиды, в том числе органического происхождения глутатионпероксидазы находится в цитозоле и матриксе митохондрий : ROOH + 2 GSH → GSSG + H 2 O + ROH Как видно из схемы для функционирования ГП необходимо наличие в клетке восстановленного глутатиона. GSSG восстанавливается глутатионредуктазой:
Антиоксидантная система клетки Глутатион • представлен трипептидом, состоящим из таких аминокислотных остатков, как цистеин, глутаминовая кислота и глицин; • в митохондриях содержится около 10% всего клеточного пула, который пополняется за счет поступления глутатиона из цитоплазмы, так как в митохондриях отсутствует фермент способный синтезировать глутатион.
Антиоксидантная система клетки Витамин Е • является природным антиоксидантом, структурной особенностью которого является фенольное кольцо с системой сопряженных двойных связей
Антиоксидантная система клетки Витамин С (аскорбиновая кислота) • Данный водорастворимый антиоксидант способен предотвращать окисление витамина Е и глутатиона восстановленного, а также превращать данные соединения в восстановленную форму после взаимодействия со свободными радикалами; • Непосредственно взаимодействует с АФК.
Спасибо за внимание!!!
Скачать презентацию Биологическое окисление АФК Биологическое окисление Биологическое
лекция28-29.ppt